CN113567756B - 一种基于差分振荡器的介电常数测量装置 - Google Patents

一种基于差分振荡器的介电常数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于差分振荡器的介电常数测量装置，包括用于输出两路差分振荡信号的差分振荡器、分别与所述差分振荡器的两个输出端连接的检测支路和参考支路、混频器以及电压测量机构；一路所述差分振荡信号依次经过所述检测支路中的第一隔直电容、第一移相单元和第一敏感元件后传输至所述混频器的一个输入端，另一路所述差分振荡信号依次经过所述参考支路中的第二隔直电容、第二移相单元和第二敏感元件后传输至所述混频器的另一个输入端；所述第一敏感元件和所述第二敏感元件结构相同，所述电压测量机构与所述混频器的输出端连接，通过上述方式，本发明能够抑制有效环境因素造成的共模干扰，且有利于实现便携性和小型化。

Description

一种基于差分振荡器的介电常数测量装置
技术领域
本发明涉及介电常数测量技术领域，尤其涉及一种基于差分振荡器的介电常数测量装置。
背景技术
高精度介电常数测量系统广泛运用在农业、工业、医疗等领域。例如，在农业领域，利用水介电常数较大这一特点，通过分析种子介电常数的不同可以分析出农作物的成熟程度；在医疗领域，通过分析细胞介电常数可以实现癌细胞的检测；在工业生产领域，通过分析过程物的介电常数，可以分析其化学成分，提高生产效率。
常见的测量方式有传输线法、谐振腔法、自由空间法等，但这些测量方式需要使用矢量网络分析仪（VNA）这类大型仪器，所以需要设计合适的信号读取电路，替换掉VNA。如图一所示，有学者提出利用负阻振荡器，通过分析振荡频率偏移量，反推出介电常数的实部，具体为将待测样品放置在敏感元件001中，电容002为栅极隔直电容，通过栅极匹配网络003与MOS管004连接。当满足以下起振条件时：
Figure 792381DEST_PATH_IMAGE001
；
则产生了振荡信号，振荡信号通过漏极匹配005后，输入到隔直电容006，最终通过同轴线007输入到频谱分析仪008进行分析。
然而，上述测量装置容易受到环境因素的干扰，振荡器中MOS管部分属于有源器件，其偏置电路对环境干扰比较敏感，比如室内温度、湿度等因素，从而容易引起共模干扰；并且，虽然避免使用了VNA，但是需要用到频谱分析仪，难以实现便携性和小型化。
发明内容
本发明实施例提供一种基于差分振荡器的介电常数测量装置，能够有效抑制环境因素造成的共模干扰，且有利于实现便携性和小型化。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种基于差分振荡器的介电常数测量装置，包括用于输出两路差分振荡信号的差分振荡器、分别与所述差分振荡器的两个输出端连接的检测支路和参考支路、混频器以及电压测量机构；
所述检测支路包括依次串联的第一隔直电容、第一移相单元和用于放置待测样本的第一敏感元件，一路所述差分振荡信号依次经过所述第一隔直电容、第一移相单元和第一敏感元件后传输至所述混频器的一个输入端；
所述参考支路包括依次串联的第二隔直电容、第二移相单元和空载的第二敏感元件，另一路所述差分振荡信号依次经过所述第二隔直电容、第二移相单元和第二敏感元件后传输至所述混频器的另一个输入端；
所述第一敏感元件和所述第二敏感元件结构相同，所述电压测量机构与所述混频器的输出端连接，用于检测所述混频器的输出电压值，进而实现所述待测样本的介电常数测量。
进一步地，所述差分振荡器包括差分滤波器、第一晶体管以及第二晶体管；
所述差分滤波器的两个输入端分别与所述第一晶体管和第二晶体管的输入端连接，所述差分滤波器的两个输出端作为所述差分振荡器的两个输出端，分别与所述第一晶体管和所述第二晶体管的输出端连接，并且所述差分滤波器的两个输出端还分别与所述第一隔直电容和第二隔直电容连接。
进一步地，所述差分振荡器输出的两路差分振荡信号的幅度相同、相位相差
Figure 411581DEST_PATH_IMAGE002
，所述第一移相单元用于对经过其的差分振荡信号移相
Figure 524287DEST_PATH_IMAGE003
，所述第二移相单元用于对经 过其的差分振荡信号移相
Figure 988766DEST_PATH_IMAGE004
，以使得所述差分振荡器输出的两路差分振荡信号在分别经 过所述第一移相单元和所述第二移相单元后相位差变为
Figure 126486DEST_PATH_IMAGE005
。
进一步地，所述第一移相单元包括第一电容、第二电容以及第一电感；
所述第一电容的一端与所述第一隔直电容连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的一端、第一电感的一端连接，所述第二电容的另一端和所述第一敏感元件的输入端连接，所述第一电感的另一端接地。
进一步地，所述第二移相单元包括第二电感、第三电感以及第三电容；
所述第二电感的一端与所述第二隔直电容连接，所述第二电感的另一端和所述第三电感的一端、所述第三电容的一端连接，所述第三电感的另一端和所述第二敏感元件的输入端连接，所述第三电容的另一端接地。
进一步地，所述电压测量机构为万用表。
进一步地，所述第一敏感元件和所述第二敏感元件均采用微带线实现。
有益效果：本发明的基于差分振荡器的介电常数测量装置，包括用于输出两路差分振荡信号的差分振荡器、分别与所述差分振荡器的两个输出端连接的检测支路和参考支路、混频器以及电压测量机构；所述检测支路包括依次串联的第一隔直电容、第一移相单元和用于放置待测样本的第一敏感元件，一路所述差分振荡信号依次经过所述第一隔直电容、第一移相单元和第一敏感元件后传输至所述混频器的一个输入端；所述参考支路包括依次串联的第二隔直电容、第二移相单元和空载的第二敏感元件，另一路所述差分振荡信号依次经过所述第二隔直电容、第二移相单元和第二敏感元件后传输至所述混频器的另一个输入端；所述第一敏感元件和所述第二敏感元件结构相同，所述电压测量机构与所述混频器的输出端连接，用于检测所述混频器的输出电压值，进而实现所述待测样本的介电常数测量，通过上述方式，本方案最终只需一个能够测量电压值的电压检测机构例如电压计或者万用表等小型电压检测设备即可实现，便于实现小型化和便携性；此外，本方案通过差分振荡器实现差分振荡信号输出，相比于单端输出的方式，更有利于抑制因环境等因素造成的共模干扰，并且检测支路和参考支路为两条结构对称的支路，对抑制共模干扰也起到一定的作用。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1是现有技术中一种介电常数测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于差分振荡器的介电常数测量装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的第一移相单元的电路图；
图4是本发明实施例提供的第二移相单元的电路图；
图5是本发明实施例提供的两路差分振荡信号在分别通过第一移相单元和第二移相单元后的相位差仿真曲线；
图6是本发明实施例提供的混频器输出的直流电压值的仿真曲线。
具体实施方式
请参照图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的运算环境中来举例说明。以下的说明是基于所例示的本发明具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
参阅图1，本发明实施例提供的基于差分振荡器的介电常数测量装置100中，该介电常数测量装置100包括用于输出两路差分振荡信号的差分振荡器11、分别与所述差分振荡器11的两个输出端连接的检测支路12和参考支路13、混频器14以及电压测量机构15。
其中，所述检测支路12包括依次串联的第一隔直电容121、第一移相单元122和用于放置待测样本的第一敏感元件123，一路所述差分振荡信号依次经过所述第一隔直电容121、第一移相单元122和第一敏感元件123后传输至所述混频器14的一个输入端。所述参考支路13包括依次串联的第二隔直电容131、第二移相单元132和空载的第二敏感元件133，另一路所述差分振荡信号依次经过所述第二隔直电容131、第二移相单元132和第二敏感元件133后传输至所述混频器14的另一个输入端。所述第一敏感元件123和所述第二敏感元件133结构相同，即第一敏感元件123和第二敏感元件133为完全对称的敏感元件。所述电压测量机构15与所述混频器14的输出端连接，用于检测所述混频器14的输出电压值，进而实现所述待测样本的介电常数测量。
由此，通过本实施方式的测量装置100，最终只需一个能够测量电压值的电压检测机构15即可实现介电常数的测量，因此，只需要万用表或者电压计等小型设备即可实现电压检测机构15的功能，相比于传统的采用VNA或者频谱分析仪的方式，本发明的测量装置100更容易实现小型化和便携性；此外，本方案通过差分振荡器11实现差分振荡信号输出，相比于单端输出的方式，更有利于抑制因环境等因素造成的共模干扰，并且检测支路12和参考支路13为两条结构对称的支路，对抑制共模干扰也起到一定的作用。
进一步地，所述差分振荡器11包括差分滤波器111、第一晶体管112以及第二晶体管113。所述差分滤波器111的两个输入端分别与所述第一晶体管112和第二晶体管113的输入端连接，所述差分滤波器111的两个输出端作为所述差分振荡器11的两个输出端，分别与所述第一晶体管112和所述第二晶体管113的输出端连接，并且所述差分滤波器111的两个输出端还分别与所述第一隔直电容121和第二隔直电容131连接。由此，通过利用差分滤波器111与两个晶体管112、113构成差分振荡器11，从而利用差分滤波器111通过差模信号、滤除共模信号的特点，实现差分输出，能够很好的抑制了环境因素造成的共模干扰。
其中，可以通过仿真优化起振条件，当满足起振条件时，差分滤波器111输出两路差分振荡信号。具体地，差分滤波器11的两个输入端分别为1端口和2端口，两个输出端分别为3端口和4端口，差分滤波器111的混合模式S参数可表示为：
Figure 447746DEST_PATH_IMAGE006
Figure 670917DEST_PATH_IMAGE007
Figure 673508DEST_PATH_IMAGE008
Figure 275522DEST_PATH_IMAGE009
其中，S11表示1端口的反射系数，S13表示3端口到1端口的传输系数，S13表示1端 口到3端口的传输系数，S21表示1端口到2端口的传输系数，S23表示3端口到2端口的传输系 数，S41表示1端口到4端口的传输系数，S43表示3端口到4端口的传输系数，S12表示2端口到 1端口的传输系数，S22表示2端口的反射系数，Sdd11表示差模反射系数，Sdd21表示差模传 输系数，Scc11表示共模反射系数，Scc11表示共模传输系数。将混合模式S参数的
Figure 174208DEST_PATH_IMAGE010
文件 带入ADS软件进行仿真设计，通过设计微带线长度，使其满足差分振荡器11的起振条件，从 而使得差分振荡器起振，进而产生两路差分振荡信号。
本发明实施例中，所述差分振荡器11输出的两路差分振荡信号的幅度相同、相位 相差
Figure 681413DEST_PATH_IMAGE011
，所述第一移相单元122用于对经过其（指第一移相单元122）的差分振荡信号移 相
Figure 550012DEST_PATH_IMAGE012
，所述第二移相单元132用于对经过其（指第二移相单元132）的差分振荡信号移相
Figure 396745DEST_PATH_IMAGE013
，以使得所述差分振荡器11输出的两路差分振荡信号在分别经过所述第一移相单元 122和所述第二移相单元123后相位差变为
Figure 997491DEST_PATH_IMAGE014
。
其中，第一移相单元122可以采用低通移相网络实现，第二移相单元132可以采用高通移相网络实现。具体地，如图3所示，所述第一移相单元122包括第一电容C1、第二电容C2以及第一电感L1。所述第一电容C1的一端与所述第一隔直电容121连接，所述第一电容C1的另一端和所述第二电容C2的一端、第一电感L1的一端连接，所述第二电容C2的另一端和所述第一敏感元件123的输入端连接，所述第一电感L1的另一端接地。如图4所示，所述第二移相单元132包括第二电感L2、第三电感L3以及第三电容C3。所述第二电感L2的一端与所述第二隔直电容131连接，所述第二电感L2的另一端和所述第三电感L3的一端、所述第三电容C3的一端连接，所述第三电感L3的另一端和所述第二敏感元件133的输入端连接，所述第三电容C3的另一端接地。
通过上述方式，本发明实施例通过采用上述LC网络构成的移相单元，相比于微带线的方式，本发明有利于减少测量装置的面积。其中，可以根据移相值φ1计算第一移相单元122中的电容和电感的取值，根据移相值φ2计算第二移相单元132中的电容和电感的取值。以第一移相单元122为例，其ABCD矩阵可表示为：
Figure 569155DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 851232DEST_PATH_IMAGE016
表示电容C1和电容C2的阻抗，电容C1和电容C2大小相同，
Figure 614788DEST_PATH_IMAGE017
表示电感 L1的阻抗。将ABCD矩阵转化为S参数可得：
Figure 979911DEST_PATH_IMAGE018
S21相位可表示为：
Figure 133812DEST_PATH_IMAGE019
由此，通过上述公式，可以根据移相值
Figure 360525DEST_PATH_IMAGE020
计算电容C1、C2和电感L1的大小。如图5 所示，在工作频率
Figure 978588DEST_PATH_IMAGE021
下，两路差分振荡信号在分别通过第一移相单元122和第二移 相单元132后，相位差变为了
Figure 124398DEST_PATH_IMAGE022
，即图中m2的位置点的相位差。
本发明实施例中，所述第一敏感元件123和所述第二敏感元件133均采用微带线实现，当然也可以采用其他传感器件实现。电压检测机构15可以是万用表，以下以万用表为例说明本发明实施例的测量装置的测量原理。
第一敏感元件123和第二敏感元件133为完全对称的敏感元件，在测量时候，第二敏感元件133保持空载，在第一敏感元件123上放置待测样本后，第一敏感元件123的相位会产生一定的延迟，延迟量由介电常数的实部决定，之后通过混频器14对第一敏感元件123和第二敏感元件133输出的信号的相位差进行提取。
第一敏感元件123、第二敏感元件133、万用表15构成了一个零中频接收机的结构，当第一敏感元件123和第二敏感元件133都为空载的时候，根据理想混频器公式可知，输出直流电压可表示为：
Figure 155808DEST_PATH_IMAGE023
其中
Figure 842005DEST_PATH_IMAGE024
为混频器的转换增益，
Figure 517837DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 476959DEST_PATH_IMAGE026
分别对应第一敏感元件123和第二敏 感元件133的信号幅度。当第一敏感元件123上加载待测样本后，第一敏感元件123输出的信 号产生
Figure 667769DEST_PATH_IMAGE027
的移相值，混频器14输出的直流电压可表示为：
Figure 95339DEST_PATH_IMAGE028
当
Figure 750311DEST_PATH_IMAGE029
时候，混频器14输出的直流电压值与移相值
Figure 300241DEST_PATH_IMAGE030
一一对应， 如图6所示，图6为混频器输出的直流电压值随两路差分振荡信号的相位差的变化而变化的 仿真曲线，也可以看作是输出电压值随移相值
Figure 916030DEST_PATH_IMAGE031
的变化而变化的仿真曲线，其中横坐标为 两路差分振荡信号的相位差，纵坐标为混频器输出的直流电压值。通过使用万用表15检测 出混频器14的输出直流电压值，代入上述直流电压的公式，从而可计算得到对应的移相值
Figure 288237DEST_PATH_IMAGE031
，从而根据移相值
Figure 735399DEST_PATH_IMAGE031
反推得到介电常数的实部，由此实现对介电常数的测量功能。
以上对本发明实施例所提供的一种基于差分振荡器的介电常数测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，包括用于输出两路差分振荡信号的差分振荡器、分别与所述差分振荡器的两个输出端连接的检测支路和参考支路、混频器以及电压测量机构；
所述检测支路包括依次串联的第一隔直电容、第一移相单元和用于放置待测样本的第一敏感元件，一路所述差分振荡信号依次经过所述第一隔直电容、第一移相单元和第一敏感元件后传输至所述混频器的一个输入端；
所述参考支路包括依次串联的第二隔直电容、第二移相单元和空载的第二敏感元件，另一路所述差分振荡信号依次经过所述第二隔直电容、第二移相单元和第二敏感元件后传输至所述混频器的另一个输入端；
所述第一敏感元件和所述第二敏感元件结构相同，所述电压测量机构与所述混频器的输出端连接，用于检测所述混频器的输出电压值，进而实现所述待测样本的介电常数测量。
2.根据权利要求1所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述差分振荡器包括差分滤波器、第一晶体管以及第二晶体管；
所述差分滤波器的两个输入端分别与所述第一晶体管和第二晶体管的输入端连接，所述差分滤波器的两个输出端作为所述差分振荡器的两个输出端，分别与所述第一晶体管和所述第二晶体管的输出端连接，并且所述差分滤波器的两个输出端还分别与所述第一隔直电容和第二隔直电容连接。
3.根据权利要求1所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述差分 振荡器输出的两路差分振荡信号的幅度相同、相位相差
Figure 804043DEST_PATH_IMAGE001
，所述第一移相单元用于对经 过其的差分振荡信号移相
Figure 190025DEST_PATH_IMAGE002
，所述第二移相单元用于对经过其的差分振荡信号移相
Figure 563237DEST_PATH_IMAGE003
，以使得所述差分振荡器输出的两路差分振荡信号在分别经过所述第一移相单元和所述第 二移相单元后相位差变为
Figure 161709DEST_PATH_IMAGE004
。
4.根据权利要求3所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述第一移相单元包括第一电容、第二电容以及第一电感；
所述第一电容的一端与所述第一隔直电容连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的一端、第一电感的一端连接，所述第二电容的另一端和所述第一敏感元件的输入端连接，所述第一电感的另一端接地。
5.根据权利要求3所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述第二移相单元包括第二电感、第三电感以及第三电容；
所述第二电感的一端与所述第二隔直电容连接，所述第二电感的另一端和所述第三电感的一端、所述第三电容的一端连接，所述第三电感的另一端和所述第二敏感元件的输入端连接，所述第三电容的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述电压测量机构为万用表。
7.根据权利要求1所述的基于差分振荡器的介电常数测量装置，其特征在于，所述第一敏感元件和所述第二敏感元件均采用微带线实现。
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